1.4 .Khái niệm chung về sol khí quyển
1.4.4 sâu sol khí (AOT) và liên hệ với ơ nhiễm khơng khí
Theo [4] Aerosol Optical Thickness (AOT) hoặc Aerosol Optical Depth (AOD) là đại lượng đặc trưng cho sự suy giảm của tia bức xạ mặt trời do hấp thụ và tán xạ của các phần tử sol khí tại điểm quan trắc so với giới hạn trên khí quyển.
Theo tổ chức epa.gov: Particulate Matter (PM), là một số hỗn hợp phức tạp của các hạt rất nhỏ và các giọt chất lỏng gây ô nhiễm. PM được tạo thành từ một số thành phần, bao gồm cả axit, chất hữu cơ, kim loại, đất hoặc cát bụi. Trong đó các hạt PM có kích cỡ 1 – 10 micromet là gây ảnh hưởng nghiêm trọng nhất tới sức khỏe con người vì có khả năng đi vào cơ quan hơ hấp, gây ảnh hưởng đến tim, phổi làm giảm khả năng lao động, chất lượng cuộc sống.
Các nghiên cứu mới đây của các nhà khoa học trên thế giới về việc kết hợp giữa ảnh viễn thám khí tượng MODIS và dữ liệu quan trắc tại các trạm khí tượng mặt đất đã có nhiều kết quả đáng kể. Trong đó việc chứng minh được mối liên hệ và tìm ra sự
tương quan giữa AOT và nồng độ PM đã mở ra cơ hội lớn trong lĩnh vực nghiên cứu về ơ nhiễm khơng khí. Lý do là: ảnh viễn thám khí tượng MODIS tuy có độ phân giải khơng gian lớn (vài trăm, vài nghìn kilomet) nhưng độ phân giải thời gian thấp và độ phân giải ảnh thấp, cịn trạm khí tượng thì có khả năng thu được mức độ ô nhiễm hàng giờ nhưng chỉ trong khu vực có diện tích nhỏ.
Hình 1.20. Mối liên hệ giữa dữ liệu AOT và ô nhiễm PM15 tại Houston năm 2000
1.4.5. Giới thiệu một số hệ thống trên thế giới cung cấp thông tin về ảnh viễn thám để nghiên cứu
Trên thế giới và ở Việt Nam thì các hệ thống WebGIS cho từng khu vực, địa bàn hành chính, từng quốc gia (nhất là các nước phát triển) được cung cấp khá nhiều và phong phú về các vấn đề: giao thơng, dân số, du lịch, giải trí, tài ngun,...Tuy nhiên, hệ thống WebGIS có sử dụng ảnh vệ tinh và nghiên cứu chuyên sâu về dữ liệu AOT thì rất ít, hoặc nếu có thì tính năng rất hạn chế. Ở đây, tôi giới thiệu 2 hệ thống WebGIS và 2 công cụ phần mềm cho phép tìm kiếm, download ảnh viễn thám và chuyên về xử lý ảnh viễn thám được sử dụng phổ biến và rộng rãi nhất trên thế giới.
a) Hệ thống WebGIS Giovanni và Ladsweb của NASA: NASA là trung tâm hàng
không vũ trụ của Mỹ và phát triển hàng đầu trên thế giới về nghiên cứu khơng gian. Vì vậy NASA thu thập được rất nhiều các thông tin vũ trụ, trái đất và tạo nên các hệ thống để chia sẻ cho các đối tượng sử dụng, nghiên cứu trên tồn thế giới. Mục đích chính của 2 hệ thống Giovannin và Ladsweb là: cung cấp các dữ liệu viễn thám, ảnh viễn thám cho nhiều mục đích nghiên cứu tới người sử dụng một cách trực quan và dễ dàng. Các loại ảnh được cung cấp có thể ở dạng nguyên bản hoặc đã qua tiền xử lý, dữ
15 Nguồn: Improving correlations between MODIS aerosol optical thickness and ground-based PM2.5
liệu được cung cấp thường xuyên và cho phép người dùng tải về trực tiếp. Cách tiếp cận tài nguyên ảnh, dữ liệu viễn thám chung của các hệ thống này là:
Chọn đối tượng nghiên cứu: đây là bước đầu tiên người sử dụng truy cập vào hệ thống và tìm kiếm đối tượng nghiên cứu phù hợp với nhu cầu của họ. Mỗi đối tượng nghiên cứu sẽ có các nhóm sản phẩm ảnh, dữ liệu viễn thám khác nhau. Ví dụ: Giovanni cung cấp rất nhiều loại đối tượng có thể nghiên cứu như: khí tượng, nơng nghiệp, đại dương, thủy văn,…
Chọn nhóm ảnh sản phẩm: với từng đối tượng nghiên cứu thì có rất nhiều loại ảnh dạng thô, tiền xử lý của nhiều cảm biến, vệ tinh được cung cấp (nhiều kích cỡ, độ phân giải khơng gian, phân loại phổ,...). Vì vậy, người sử dụng cần biết các thơng tin về từng loại ảnh và khả năng áp dụng phù hợp với vấn đề cần nghiên cứu. Ví dụ: nghiên cứu về AOT của đại dương thì khơng cần lấy ảnh AOT trên cả đại dương và lục địa, nghiên cứu AOT của 1 quốc gia thì khơng cần dữ liệu của toàn thế giới,…
Hình 1.21. Một số loại ảnh AOT cung cấp của hệ thống Giovanni
Tìm kiếm ảnh theo nhiều tiêu chí: đây là tính năng quan trọng nhất của các hệ thống cho phép người sử dụng trực quan, tiếp cận nguồn dữ liệu viễn thám trong cơ sở dữ liệu. Cách thức thực hiện chung của các hệ thống là tạo nên một bản đồ số thể hiện bản đồ thế giới, sau đó cung cấp 1 số cơng cụ cơ bản (di chuyển, phóng to, thu nhỏ, vẽ vùng chọn) để người sử dụng chọn được vùng địa lý họ muốn nghiên cứu dữ liệu. Một số tham số phổ biến mà tính năng tìm kiếm u cầu là:
o Tham số không gian: người dùng vẽ 1 vùng chọn hình chữ nhật lên bản đồ số, khoanh vùng một hoặc một vài quốc gia, vùng lãnh thổ. Các ảnh viễn thám được tìm kiếm phải chứa hoặc cắt vùng chọn này. Ví dụ: vẽ vùng chọn bao quanh Việt Nam để lấy các ảnh chứa giá tri AOT nghiên cứu tình hình ơ nhiễm theo thời gian.
o Tham số thời gian: người sử dụng chọn thời gian bắt đầu, thời gian kết thúc của tập ảnh họ muốn tìm kiếm. Các hệ thống Giovannin, Ladsweb cung cấp ảnh viễn thám được cập nhật thường xuyên vì vậy cần giới hạn khoảng thời gian tìm
kiếm tùy theo mục đích của người dùng. Ví dụ: nghiên cứu tình hình ơ nhiễm của Việt Nam từ tháng 1 năm 2010 đến tháng 12 năm 2012.
o Loại ảnh muốn tìm kiếm: chọn từ danh sách nhóm sản phẩm ảnh ra một hoặc một số loại ảnh có kích cỡ, độ phân giải khơng gian phù hợp. Ví dụ: nghiên cứu giá trị AOT của Việt Nam theo diện tích 1 km2, 10 km2 từ các ảnh viễn thám thu được từ cảm biến MODIS trên vệ tinh Terra.
Hình 1.22. Kết quả ảnh viễn thám MOD04 L2 từ LadsWeb NASA để download
Lập biểu đồ, thống kê dữ liệu: các hệ thống trên cung cấp tính năng thống kê, lập biểu đồ dữ liệu từ các thơng số mà người dùng đã tìm kiếm. Ví dụ: biểu đồ histogram sự tăng, giảm giá trị AOT theo thời gian của Việt Nam, biểu đồ nhiệt (heatmap) thể hiện sự tập trung ô nhiễm tại 1 vùng lãnh thổ của Việt Nam,…
Hình 1.23. Biểu đồ thể hiện sự tăng giảm AOT trong tháng 8 năm 2013
Tạo bản đồ dạng ảnh: đây là một chức năng rất mạnh của Giovanni cho phép tổng hợp dữ liệu thống kê từ các thông tin người dùng tìm kiếm. Thay vì thực hiện vẽ biểu đồ đơn giản thì cho phép tạo nên các bản đồ thể hiện sự phân bổ, thay đổi giá trị trên bản đồ tồn thế giới. Tuy nhiên vì dữ liệu tổng hợp rất lớn nên tính năng này thực hiện chậm và thích hợp khi nghiên cứu thơng tin dữ liệu trên vùng rộng lớn.
Hình 1.24. Bản đồ thể hiện sự phân bổ giá trị AOT theo thời gian trên toàn thế giới
b) Phần mềm xử lý ảnh viễn thám ENVI và Quantum GIS: nếu 2 hệ thống
WebGIS trên khơng có khả năng cung cấp tính năng trực quan hóa ảnh viễn thám, dữ liệu vector,…chỉ có khả năng cung cấp tính năng tìm kiếm ảnh, thống kê, lập biểu đồ,…thì 2 phần mềm ở đây bổ sung sự thiếu sót này với rất nhiều tính năng, tiện ích. Bởi vì người sử dụng khi tải được ảnh viễn thám về máy tính thì họ khơng thể mở ảnh viễn thám với các chương trình xử lý ảnh thông dụng mà cần các công cụ xử lý ảnh viễn thám chuyên nghiệp để trưc quan hóa ảnh lên và thực hiện các thao tác để nghiên cứu. Các tính năng chính của 2 phần mềm ENVI và Quantum GIS là:
Đọc ảnh viễn thám: đọc được rất nhiều các loại ảnh của các vệ tinh viễn thám như: Landsat, SPOT, IKONOS, ASTER, MODISS,…Các loại ảnh raster sau khi đọc xong sẽ hiển thị như một đối tượng trên giao diện làm việc để người sử dụng tương tác. Người dùng có thể đọc nhiều ảnh và ẩn, hiện chúng theo nhu cầu hiển thị.
Đọc dữ liệu vector: dữ liệu từ các shapefile thể hiện biên giới quốc gia, vùng lãnh thổ, địa bàn hành chính tỉnh, thành,…Thường được sử dụng như là một bản đồ nền địa lý để chồng xếp (overlay) ảnh viễn thám lên. Người sử dụng có thể chọn và hiển thị các đa giác vector tại các khu vực theo ý muốn.
Công cụ tương tác trực quan: rất đầy đủ và chi tiết khi cho phép người sử dụng tương tác trực tiếp với ảnh, vẽ các vùng chọn, lấy giá trị trên các tọa độ, hiển thị giá trị latitude, longtitude khi di chuyển chuột, tính diện tích, đo khoảng cách,…Nhiều tính năng cao cấp hơn so với hệ thống WebGIS của NASA với các công cụ cơ bản.
Chuyển đổi hệ quy chiếu: khơng có một hệ quy chiếu hồn hảo cho nghiên cứu ảnh viễn thám trên tồn thế giới vì sự biến đổi của bề mặt trái đất. Vì vậy, người sử dụng có thể chuyển hệ quy chiếu của ảnh viễn thám để overlay lên bản đồ một cách
chính xác nhất (khơng bị lệch tọa độ, dễ nhận thấy nhất là ảnh Landsat độ phân giải không gian cao).
Tiền xử lý, nâng cao chất lượng, nắn chỉnh ảnh: các ảnh viễn thám nếu chưa qua xử lý thường chất lượng không đồng đều và bị mờ, tối, bị đứt nét,…Vì vậy, cần có các phần mềm sử dụng các thuật tốn chuyên xử lý, hiệu chỉnh ảnh để nâng cao chất lượng ảnh. Ngoài ra nếu ảnh bị méo, lệch với bản đồ nền có thể dựa trên các điểm tọa độ chuẩn (điểm khống chế mặt đất GCP – ground controlling point) để nắn chỉnh các vùng bao quanh về hình dạng chính xác.
Tách thơng tin từ ảnh: sử dụng các thuật tốn để giải đoán ảnh viễn thám, tách biệt các đối tượng, thông tin từ ảnh. Các thuật tốn phân loại có giám sát, khơng giám sát được cung cấp để thực hiện các yêu cầu: phân loại đa phổ, theo dõi biến động thực vật, chiết tách chỉ số thực vật, xác định các đối tượng để lập bản đồ chuyên ngành,…
Ngoài ra, cả 2 phần mềm trên đều cịn có rất nhiều tính năng, cơng cụ xử lý mạnh mẽ khác như: cung cấp khả năng lập trình mở rộng tính năng, cài đặt bổ sung các plugin miễn phí, trí tuệ nhân tạo, kết nối cơ sở dữ liệu khơng gian,…Ví dụ, Hình 1.25. sử dụng phần mềm Quantum GIS, thể hiện việc chồng xếp ảnh MODIS 1 km có chứa một phần lãnh thổ Việt Nam trên bản đồ thế giới dạng vector và lấy giá trị AOT tại một tọa độ khi click chuột tại 1 điểm ảnh.
Hình 1.25. Lấy giá trị AOT tại một điểm dùng Quantum GIS